低温环境下热泵热风干燥藏药性能试验

高 萌，李 明，王云峰，余琼粉，李 坤，孙 伟，罗 熙

·研究速报·

低温环境下热泵热风干燥藏药性能试验

高 萌1，李 明1※，王云峰1，余琼粉1，李 坤2，孙 伟2，罗 熙1

（1. 云南师范大学 太阳能研究所，昆明 650500；2. 云南师范大学 物理与电子信息学院，昆明 650500）

为提升低温环境下藏药干燥特性，该研究提出回热、喷焓热泵干燥系统模式，并通过试验探究所设计系统持续运行的稳定性及能效特性，获取低温条件不同方式载物模式下热泵连续运行的特性及变化规律。研究结果表明：在冬季高原严寒大温差（30 ℃）下，回热型热泵系统换热器换热效率平均为13.58%。喷气增焓热泵系统（−13.39～16.69 ℃）最低制热系数COP（Coefficient of Performance, COP）比普通涡旋热泵系统（−11.4～18.3 ℃）提升了51.5%，COP平均提高16.9%，有效提高了低温下系统制热能效。物料摆放方式以及铺料厚度对干燥效果影响显著，当装载量为100%，码放高度20 cm时，物料成品表皮色泽金亮，干燥度均匀，单位能耗除湿量SMER（Specific Moisture Extraction Rate，SMER）大。与传统方式相比，对同等数量的物料，热泵干燥耗时仅为传统阴干方式的1/9，且成本降低1 160元/t，同时避免了环境的二次污染。研究结果表明回热、喷焓型热泵系统能满足低温工况下藏药材干燥所需的能量供给且能够稳定运行。

干燥；温度；热泵；系统性能；藏药；高寒大温差；COP

0 引 言

藏药有近两千年历史，仅次于中医药学。藏药秦艽（），龙胆属多年生草本植物，有止痹痛、清热解毒等功效[1]。新鲜秦艽不能直接入药，故干燥作为初加工步骤，必不可少。目前秦艽干燥多用自然阴干或传统烤房烘干等方法。

干燥技术的应用领域很宽，而且在工业生产中所需要的能量消耗巨大，约占全部能耗的12%～20%。在中国，中药材传统的干燥方法有阴干、晒干以及烘干等[2-6]，以上方法存在干燥周期长、人力物力需求大、生产效率低及难以严格控制等缺陷且缺乏科学系统的理论。为提高能源利用率，降低能耗，已有一些学者结合药材干燥过程的特殊性、复杂性，把现代社会新技术应用于中药材干燥中[7-10]。丁昌江等[11]用高压电场干燥技术对知母、西洋参等中药饮品进行干燥，比烘箱干燥有效成分保留率高，干燥时间缩短。宗文雷等[12]利用热泵干燥蒜片、姜片，产品复水率高；邱羽等[13-14]分别研究热泵干燥香菇特性，结果表明干燥温度是影响热泵干燥时间的主要因素，且风温、风速对香菇品质影响较大。热泵干燥技术[15-22]目前已广泛应用于木材、粮食、食品加工及纺织行业中，该技术具有对温度、湿度、气流速度可控性，环保，低成本，高效节能等诸多优点。

上述研究均在环境温度15 ℃以上进行干燥。尽管已有研究者用热泵在常温下干燥药材，且用回热方式提高系统性能有了一定的研究[23]。云南迪庆藏族自治州地处云贵高原，平均海拔3 300 m以上，在严寒冬季，环境温度波动变化大，整体呈现出“年差小，日差大”的特征。在亩产量达200～250 kg的秦艽种植藏区香格里拉，冬季昼夜温差可达30 ℃以上，夜晚温度通常在−10 ℃以下，而藏药收获且干燥的时间一般在严寒冬季，且一般500 kg藏药干燥时间均需48 h以上。采用空气源热泵系统干燥可以有效提升药材干燥效率，但在冬季使用热泵进行干燥将出现白天性能较好、但夜晚环境温度达−10 ℃时热泵机组表现出蒸发器结霜量大、运行不稳定、供热不平衡的问题。热泵回热系统即通过热回收器回收干燥箱排出湿空气中的余热或废热，并作为供热使用，可提升热量利用率。通过计算换热效率来分析高原严寒地区热泵干燥系统的回热性能。该地区传统干燥方式多为自然阴干或以烧柴、煤等为代价的热风方式进行烘干，生产成本高、污染严重等问题存在。为此，本文在回热基础上采用非喷焓、喷焓2种方式进行低温工况下藏药干燥特性的研究并进行对比分析，并与传统阴干方式进行比较，从而获取高寒大温差特征下的热泵干燥藏药特性分析，为藏药干燥加工业的干燥特性及产业化提供理论依据和技术支持。

1 热泵干燥系统设计及其工作原理

为对藏药干燥系统在低温环境下的运行工况进行分析，本文采用回热式方法进行设计与试验，系统结构如图1所示。

1.干燥箱　2.物料架　3.大门　4.匀风风机　5.回风风道　6.3号阀门　7.1号阀门　8.2号阀门　9.新鲜空气　10.换热器11.冷凝器12.压缩机　13.膨胀阀　14.蒸发器　15.风机16.温度传感器17.热风

系统工作原理为：蒸发器（14）内冷媒（R22）吸收低温热源（环境）中的热量汽化；经压缩机（12）等熵压缩成高温高压气体，进入冷凝器（11）冷凝放热，由风机（15）将热风吹入干燥箱（1），打破物料内部湿热平衡，排出水分，最终实现干燥目的。为了改善热泵系统运行稳定性，降低蒸发器结霜情况，提高制热能效，利用换热芯体（10）回收利用排气废热。同时为了优化低温下系统性能，通过喷气增焓压缩机（12）的2级节流中间喷气技术，即由中间压力回气喷射口补充制冷剂，从而增加压缩机排气量，冷凝器内循环制冷剂量增加，实现提升制热能力的目的。为进行系统分析，布置了T型热电偶进行温度测量。

该系统主要包括2部分：干燥箱和热泵系统。干燥箱（长×宽×高为3.9 m×2.1 m×2.3 m），容积约15 m3，额定装载量为1.5t。其包含有：4个8层结构的物料架（长1.8 m×宽0.6 m×高1.7 m），层间距为20 cm；匀风风机，由3×3的阵列分布的9个小风机组成。热泵系统由蒸发器、压缩机、冷凝器、换热器、风机、膨胀阀等部件组成。

2 试验方法

2.1 材料与仪器

该试验选取云南省迪庆藏族自治州香格里拉市新鲜采挖的藏药秦艽作为试验材料。秦艽初始含水率为75%～83%，根部整体不切片干燥，堆积厚度分别为10、20 cm，厚度误差±2 cm。

试验所采用测试具体参数详见表1。

表1　试验测试仪器

2.2 测定指标

2.2.1 热泵干燥系统的性能指标

换热器效率即热泵干燥系统对干燥箱内部湿空气进行热回收的效率[16]，用以表征系统回热吸收利用率：

式中wet为换热器实际换热热流量，W；max为理论上换热器最大换热热流量，W；q为换热流体最小质量流量，kg/h；c为换热流体比热容kJ/(kg·℃)；Δmin为换热流体进出口最小温差,℃；wet进入换热器湿空气温度，℃；ai进入换热器新鲜空气温度，℃。

热泵干燥系统的制热能效系数COP（Coefficient of Performance），表示系统能源转换效率之比：

式中P为热泵冷凝器制热功率，W；m为空气流进冷凝器的质量流量，kg/h；pa为空气定压比热容，kJ/(kg·℃)；lo为冷凝器出口的空气温度，℃；li为冷凝器进口的空气温度，℃；d为干燥过程中的某时刻。

单位能耗除湿量SMER（Specific Moisture Extraction Rate），指每单位能耗除去水分的质量，用以表征系统干燥过程中使用能量的有效性：

式中m为湿物料初始质量，kg；m为所得干物料质量，kg；为系统干燥过程总耗电量，kW·h。

2.2.2 物料干燥特性测试指标

物料的含水率，用以表征物料本身所含水分占比，可作为干燥进行程度的判断指标,干燥物料的干基含水率[20]表示为

式中m为湿物料中湿分质量，kg。

干燥物料的干燥速率[19]，即干燥水分排出的快慢程度：

式中MC和MC+dt分别为MC在和+d时刻的含水率。

干燥物料的失水率，即物料干燥过程中的水分变化：

式中m为时刻湿物料质量，kg。

3 结果与分析

3.1 高寒大温差工况下系统回热性能试验分析

如图2a所示，普通涡旋压缩机热泵系统换热器进口湿空气温度范围为：6.28～53.63 ℃，换热器进口新风温度范围为：−11.88～18.29 ℃，湿空气温度远远高于新风温度，新风在换热器内经热传导与湿空气进行热交换，换热后新空气温度为−10.04～21.61 ℃；如图2b所示，喷气增焓压缩机热泵系统换热器进口湿空气温度范围为：10.39～62.29 ℃，换热器进口新空气温度范围为：−13.24～16.69 ℃，湿空气温度远远高于新风温度，新风在换热器内经热传导与湿空气进行热交换，换热后新空气温度为−10.04～21.61 ℃。由公式（1）计算得，普通涡旋压缩机热泵干燥系统换热器瞬时换热效率范围为6.29%～66.95%，平均值为13.58%；喷气增焓压缩机热泵系统换热器瞬时换热效率范围为4.59%～58.14%，平均值为9.56%。而邱羽[24]在昆明环境温度为16.8～29.7 ℃条件下，通过试验测得空气源热泵回热系统换热器瞬时效率为23.0%～84.8%，均值41.2%。

在高原冬季大温差环境下，环温昼夜起伏变化大，系统热损大，且湿空气中水分含量高，大量热能被湿空气损耗，造成余热回收利用率低。高寒大温差工况下，普通涡旋压缩机热泵回热系统换热器最高换热效率与温和地区相比降低了21%，平均换热效率降低了67%；由于环境温度进一步降低，导致喷气增焓热泵系统换热器最高换热效率与温和地区相比降低了31.4%，平均换热效率降低了76.7%。综上，结合传热学换热基本原理可知，环境温度越低，昼夜温差越大，导致换热器换热效率越差。

3.2 冬季严寒大温差下回热系统运行特性分析

为测试冬季严寒大温差（30 ℃）工况下的普通涡旋压缩机系统性能特性，课题组分别在2017年12月3日－12月10日和2018年1月14日－1月21日进行2组藏药干燥测试。由于夜间温度低，系统制热性能较低，故第一组试验，采取日间工作、夜间停机的分段式间接干燥（环温：−4.3～19.9 ℃，温差24.2 ℃），主要测试系统在白天温差波动较小工况下的运行特性；第二组试验，系统昼夜连续不间断干燥（环温：−11.4～18.3 ℃，温差约30 ℃），测试系统昼夜大温差下连续不间断运行特性。

图2 换热器进出口空气温度

系统只在日间间接性运行较系统昼夜连续运行时，环境温度波动小，干燥箱入风口温度变化斜率较大，即温升速度快，表明环境温度变化幅度对系统制热性能影响明显。当环境温度最低为−4.3 ℃时，干燥箱入风口温度11 ℃，而当环境温度最低为−11.4 ℃时，干燥箱入风口温度仅0.53 ℃。即环境温度下降7.1 ℃，入风口温度下降10.47 ℃。环境温度波动起伏变化越大，干燥箱入风口温升速度越慢，系统制热性能越低；反之亦然。由于高寒大温差波动剧烈，压缩机压比升高，容积效率降低，制冷剂循环量减少，造成系统制热性能降低，导致干燥箱入风口温度急剧下降，结果如图3所示。

由公式（4）计算可知，整个干燥过程中普通涡旋压缩机热泵系统瞬时制热能效（COPo）变化范围为1.01～2.73，平均制热能效（COPao）为1.89。

分析干燥过程中普通涡旋压缩机系统在冬季不同自然环境温度下的连续运行的性能特性。如图4所示，普通涡旋压缩机热泵系统的COPo随着环境温度变化呈规律性变化，环境温度越高，COPo升高速率越快。当1月18日环境温度低至−11.4 ℃，系统COPo亦随之下降，至最低值1.01，热泵系统几乎不起作用，即环境温度低于−11.4 ℃，普通涡旋压缩机热泵系统几乎不制热。且环境温度（−2.82～8.66 ℃）波动越小，即日均环境温度越高，则日均COPao越高；环境温度（−11.4～18.3 ℃）波动越大，即日均环境温度越低，系统制热性能（1.01～2.59）波动越大；日均COPao越低。

图3 环境温差对干燥箱入风口温度的影响

图4 系统性能

综上分析可知，普通涡旋压缩机系统可以满足低温下热泵干燥热量需求，但系统波动性较大，制热性能平均值较低，且在低至−11.4 ℃环境温度时，COPo最小值仅为1.01。

为了提升低温下热泵系统的制热性能，提高其适应性、稳定性，在原有基础上选取喷气增焓压缩机代替原普通涡旋压缩机，并于2019年1月3日－1月7日进行试验测试。喷气增焓压缩机热泵系统在制热过程中，各阶段循环工质流量不同。如图5所示为高寒大温差工况下喷气增焓压缩机热泵系统制热过程的压焓图，其中冷凝器内高压制冷剂放热后分为：制冷回路和补气回路。2′-4冷凝放热过程，产生高热空气进入干燥箱，制冷剂变为低温低压气液混合态；4-6绝热节流过程，一次节流；6-7补气吸热蒸发过程，制冷剂节流后经中间经济器喷入压缩机内；6-4′制冷剂蒸发冷凝放热过程；4′-5′制冷剂蒸发绝热节流过程，二次节流；5′-1制冷剂蒸发吸热过程，蒸发器内制冷剂从环境空气中吸热；1-8压缩机的绝热压缩过程，得到高压制冷剂；8-9-7制冷蒸气与补气蒸气混和过程，高、低压蒸气混和变为中压蒸气；9-2′压缩过程，混和的制冷剂经压缩变为高温高压制冷剂入冷凝器冷凝放热，进行下一个循环。1-2-3-4-5-1普通涡旋压缩机热泵系统制冷剂制热循环过程。

由公式（4）计算可得整个干燥过程中喷气增焓系统瞬时制热能效（COPaj）变化范围为1.53～2.86，平均制热能效（COPaaj）为2.21，试验结果如图4b所示。

当环境温度低至−13.39 ℃时，喷气增焓热泵干燥系统的COPaj最小值为1.53，较普通涡旋压缩机热泵系统最小COPo提高了51.5%，整个干燥过程中系统COP平均提高了16.9%。

由此可见，在温差高达30 ℃的高原严寒地区，喷气增焓系统制热效果较普通热泵系统制热能效显著，系统运行稳定性提高。部分结果见表2。

3.3 不同装载量对物料干燥的影响

为了测试不同环境温度下，普通涡旋压缩机系统不同装载量对物料干燥效果的影响。课题组于2017年12月3日－12月10日和2018年1月14日－1月21日分别进行了2组不同装载量的藏药秦艽干燥试验，以药材失水率达到67%作为干燥结束的判断条件。部分试验数据结果见表3。

表2　部分日期试验测试结果

表3　部分不同装载量试验测试结果

当装载量约60%，铺料厚度为10 cm时，物料出现干燥不均匀现象，即接近入风口处物料过度干燥，失水率高达74%，出现黑糊现象，而远离入风口处物料干燥度不足，失水率仅50%；当装载量约100%，铺料厚度为20 cm时，干燥箱内部物料相互间挤压压力增大，空间利用率占比高，箱内风阻增强，温升速度降低，但物料干燥度较均匀，平均失水率约67%。干燥物料成品如图6所示。

图6 秦艽干燥成品

由公式（6）得SMER为1.74 kg/(kW·h)（1 465 kg）、1.41 kg/(kW·h)（910 kg）。

试验表明，干燥箱满载（100%）较非满载（60%）时，单位质量耗电量降低了26.9%，平均失水率降低了9.4%，SMER提升了23.4%，且物料堆积厚度为20 cm相较于堆积厚度为10 cm，物料的装载量增加，堆砌厚度高，物料内部压力增大，干燥箱内部风阻变大，物料干燥均匀度显著提升。

将热泵干燥秦艽与传统阴干秦艽方式相比较。通过试验测试可知，热泵干燥3 t秦艽所需时间为18 d，仅为传统阴干方式耗时的1/9，干燥成本节省1 160元/t（成本=人工费+电费）。热泵系统就节省电费成本而言，设备的成本回收期约3～4 a。

通过感官评价可知，传统阴干方式下，由于环境气候多变，对物料二次污染不可避免，造成物料表面色泽暗黑，良莠不齐，如图6所示；而热泵干燥方式下，物料表面色泽金黄，干燥度均匀，同时避免了二次污染。部分数据如表5所示。

表5　热泵干燥与传统干燥对比

4 讨论与结论

4.1 讨论

在高原（海拔3 100～4 000 m）严寒（冬季最低温度可达−15 ℃）环境大温差（30 ℃）气候条件下，为克服低温环境下空气源热泵干燥系统内蒸发器结霜严重、制冷工质吸气量骤减、系统制热波动大等问题，本文在回热型热泵干燥系统基础上采用喷气增焓的方式较好地满足了昼夜连续干燥作业热泵能量供给及稳定运行的需求；结合藏区太阳能资源丰富特点可采用太阳能辅助换热方式，将白天太阳能辐射能量收集并在夜间与蒸发器换热降低蒸发器结霜率，从而有效提高热泵系统在低温时的制热能效，该部分工作正在开展试验验证。同时在不同干燥温度及干燥时段对药材品质成分含量进行科学分析并建立相关联的数据库，提供合理的不同物料干燥过程中传热传质特性，对于热泵系统的控制与优化均是后期研究工作的重要内容。

4.2 结 论

本文对回热型热泵热风干燥藏药秦艽进行性能测试，结果表明：

1）在冬季高原严寒大温差（30 ℃）工况下，回热型热泵干燥系统换热器瞬时换热效率范围为6.29%～66.95%，平均值为13.58%。

2）在高寒大温差（30 ℃）环境下，回热型热泵干燥系统稳定运行，可满足干燥所需的能量供给。普通涡旋压缩机热泵回热系统运行在−11.4～18.3 ℃，其瞬时COPo为1.01～2.73，均值为1.89；喷气增焓热泵系统运行在−13.39～16.69 ℃，其瞬时COPaj为1.57～2.86，均值为2.21，其均值较普通热泵系统制热性能提升了16.9%，最低值提高了51.5%，有效提升了环境温度低于−11.4 ℃时系统制热能力及能效，提高了系统的适应性及稳定性。。

3）干燥箱装载量约100%（1 465 kg，铺料厚度20 cm）与装载量60%（910 kg，铺料厚度10 cm）相比较，满载时物料平均失水率降低9.4%，单位质量耗电量降低26.9%，SMER提升了23.4%。与传统阴干方式相比较，干燥相同数量物料，热泵干燥仅为传统阴干方式耗时的1/9；且干燥成本降低1 160元/t。热泵系统设备成本回收期约3～4 a。

[1] 牛晓雪，张巧玉，陈小文，等. 秦艽种子质量分级标准及生活力的研究[J]. 中药材，2012，35(6)：859-863.

Niu Xiaoxue, Zhang Qiaoyu, Chen Xiaowen, et al. Study on seed quality grading standards and viability of Gentiana macrophylla[J]. Journal of Chinese Medicinal Materials, 2012, 35(6): 859-863. (in Chinese with English abstract)

[2] 熊耀坤，李斐，刘志勇，等. 中药材干燥研究现状及基础理论探讨[J]. 江西中医药，2015，2：56-60.

Xiong Yaokun, Li Fei, Liu Zhiyong, et al, Research status and basic theory of Chinese herbal medicine drying[J]. Jiangxi Journal of Traditional Chinese Medicine, 2015, 2: 56-60. (in Chinese with English abstract)

[3] 任迪峰，毛志怀. 我国中草药干燥的现状及发展趋势[J]. 农业工程学报，2001，17(2)：5-8.

Ren Difeng, Mao Zhihuai. Present situation and developing trend on drying of chinese herbs[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2001, 17(2): 5-8. (in Chinese with English abstract)

[4] 桑迎迎，周国燕，王爱民，等. 中药材干燥技术研究进展[J]. 中成药，2010，32(12)：2140-2144.

Sang Yingying, Zhou Guoyan, Wang Aimin, et al. Research progress on drying technology of Chinese herbal medicine[J]. Chinese Traditional Patent Medicine, 2010, 32(12): 2140-2144. (in Chinese with English abstract)

[5] 赵润怀，段金廒，高振江，等. 中药材产地加工过程传统与现代干燥技术方法的分析评价[J]. 中国现代中药，2013，15(12)：1026-1035.

Zhao Runhuai, Duan Jinao, Gao Zhenjiang, et al. Analysis and evaluation of traditional and modern drying technologies and methods of primary processing of traditional chinese medicinal materials[J]. Modern Chinese Medicine, 2013, 15(12): 1026-1035. (in Chinese with English abstract)

[6] 郑娅，颉敏华，张芳，等. 干燥技术在中药材产地初加工中的应用[J]. 甘肃农业科技，2017(3)：71-74.

Zheng Ya, Xie Minhua, Zhang Fang, et al. Drying technology applied in processing of chinese medicinal materials[J]. Gansu Agricultural Science and Technology, 2017(3): 71-74. (in Chinese with English abstract)

[7] 王云峰，李明，王六玲，等. 太阳能干燥装置性能及三七干燥效果[J]. 农业工程学报，2010，26(10)：377-383.

Wang Yunfeng, Li Ming, Wang Liuling, et al. Performance of solar dryer and drying effect for panax notoginseng[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(10): 377-383. (in Chinese with English abstract)

[8] 李会伟，刘培，钱大玮，等. 不同干燥方法及其影响因子对玄参药材初加工过程品质形成的影响[J]. 中国中药杂志，2015，40(22)：4417-4423.

Li Huiwei, Liu Pei, Qian Dawei, et al. Effect on quality of Scrophulariae Radix with modern drying technology[J]. China Journal of Chinese Materia Medica, 2015, 40(22): 4417-4423. (in Chinese with English abstract)

[9] 冷晓红，陈海燕，郭鸿雁. 宁夏黄芩不同干燥方法与药材质量的相关性研究[J]. 西北药学杂志，2017，32(6)：707-710.

Leng Xiaohong, Chen Haiyan, Guo Hongyan. Study on the relativity between the different drying methods and the quality of Scutellariae Radix in Ningxia[J]. Northwest Pharmaceutical Journal, 2017, 32(6): 707-710. (in Chinese with English abstract)

[10] 伊松林，张璧光. 太阳能及热泵干燥技术[M]. 北京：北京化学工业出版社，2011.

[11] 丁昌江，卢静莉，梁运章. 高压电场干燥中药饮片的试验研究[J]. 内蒙古工业大学学报，2008，27(2)：95-99.

Ding Changjiang, Lu Jingli, Liang Yunzhang. Preparation of chinese herbal medicine samll pieces by drying in high voltage electric filed[J]. Journal of Inner Mongolia University of Technology, 2008, 27(2): 95-99. (in Chinese with English abstract)

[12] 宗文雷，于沛沛，姜启兴，等. 热泵干燥生产脱水蔬菜的技术优势分析[J]. 江西农业学报，2010，22(5)：133-134.

Zong Wenlei, Yu Peipei, Jiang Qixing, et al. Analysis of technical advantages of heat pump drying to produce dehydrated vegetables[J]. Acta Agriculturae Jiangxi, 2010, 22(5): 133-134. (in Chinese with English abstract)

[13] 邱羽，李明，王云峰，等. 热泵工况下香菇的干燥特性研究[J]. 云南师范大学学报：自然科学版，2016，36(4)：14-19.

Qiu Yu, Li Ming, Wang Yunfeng, et al. Drying characteristics investigation of mushroom by heat pump drying[J]. Journal of Yunnan Normal University: Natural Science Edition, 2016, 36(4): 14-19. (in Chinese with English abstract)

[14] 聂林林，张国治，王安建，等. 热泵干燥对香菇品质特性的影响[J]. 河南工业大学学报：自然科学版，2015，36(6)：59-63.

Nie Linlin, Zhang Guozhi, Wang Anjian, et al. Effect of heat pump drying on the quality characteristics of lentinyla edodes[J]. Journal of Henan University of Technology: Natural Science Edition, 2015, 36(6): 59-63. (in Chinese with English abstract)

[15] Zhang L, Dong J, Jiang Y, et al. An experimental study on frosting and defrosting performances of a novel air source heat pump unit with a radiant-convective heating terminal[J]. Energy and Buildings, 2018, 163: 10-21.

[16] Qiu Y, Ming L, Hassanien R H E, et al. Performance and operation mode analysis of a heat recovery and thermal storage solar-assisted heat pump drying system[J]. Solar Energy, 2016, 137: 225-235.

[17] Vaitkus L, Dagilis V. Refrigerant charge reduction in low-temperature transport refrigerator with the eutectic plate evaporator[J]. International Journal of Refrigeration, 2014, 47: 46-57.

[18] Li Y, Li W, Liu Z, et al. Theoretical and numerical study on performance of the air-source heat pump system in Tibet[J]. Renewable Energy, 2017, 114: 489-501.

[19] Li T, Yuan Z, Wei L, et al. Strengthening mechanisms of two-stage evaporation strategy on system performance for organic Rankine cycle[J]. Energy, 2016, 101: 532-540.

[20] Wang W, Li M, Hassanien R H E, et al. Thermal performance of indirect forced convection solar dryer and kinetics analysis of mango[J]. Applied Thermal Engineering, 2018, 134: 310-321.

[21] Vijayan S, Arjunan T V, Kumar A. Mathematical modeling and performance analysis of thin layer drying of bitter gourd in sensible storage based indirect solar dryer[J]. Innovative Food Science & Emerging Technologies, 2016, 36: 59-67.

[22] 王鑫，车刚，万霖，等. 白萝卜智能远红外真空干燥设备的参数优化实验[J]. 农业工程学报，2015，31(增刊2)：267-271.

Wang Xin, Che Gang, Wan Lin, et al. Experimental of parameter optimization for intelligent far-infrared-vacuum dryer of turnip[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015(Supp.2): 267-271. (in Chinese with English abstract)

[23] Donnellan P, Cronin K, Byrne E. Recycling waste heat energy using vapour absorption heat transformers: A review[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2015, 42: 1290-1304.

[24] 邱羽. 二次回热式空气源热泵与太阳能联合干燥系统性能研究[D]. 昆明：云南师范大学，2017.

Qiu Yu. Study on the Performance of Two Heat Recovery Air Source Heat Pump Assisted Solar Drying System[D]. Kunming: Yunnan Normal University, 2017. (in Chinese with English abstract)

Experimental study on the performance for heat pump hot air drying of Tibetan medicine at low-temperature

Gao Meng1, Li Ming1※, Wang Yunfeng1, Yu Qiongfen1, Li Kun2, Sun Wei2, Luo Xi1

(1. Solar Energy Research Institute, Yunnan Normal University, Kunming 650500, China; 2. School of Physics and Electronic Information Technology, Yunnan Normal University, Kunming 650500, China)

Tibetan medicine has a long history to serveas a national medicine second only to Chinese medicine. Fresh Tibetan medicine cannot be directly used as medicine. Drying process is essential as a preliminary processing step. The heat pump drying method can be suitable for this case, due to its energy saving, environmental protection, and low cost. In this study, a noveldrying system mode of heat recovery andair-jet enthalpy heat pump was proposed to improve the drying characteristics of Tibetan medicine under low-temperature environments. A systematic experiment was conducted to explore the stability and energy efficiency for the continuous operation of system, thereby to obtain the changing characteristics of continuous operation onthe heat pump in different load modes at low temperature conditions. In order to explore the performance characteristics of heat pump drying for the Tibetan medicine at low temperature environment in winter, a drying oven was built with the size of 3.9m ×2.1m ×2.3m (length ×width ×height)and a volume of about 15m3, as well asa rated load of 1.5 t. An ordinary ring scroll compressor,and anair jet enthalpy compressor in a heat pump system were selected to carry out the load experiment test at the ambient temperature of -11.4−18.3 and -13.39−16.69 ℃. The ordinary scroll compressor in a heat pump system workedin the segmented drying mode, and the continuous drying operation mode was used to dry Tibetan medicine. The air-jet enthalpy-increasing heat pump system performedday and night for the continuous drying. Results were as follows: Under the severe cold and large temperature difference (30 ℃) in the winter plateau, the averageefficiencyof heat transfer in the air-jet enthalpy-increasing heat pump system (-13.39−16.69 ℃) was 9.56%, and that in the ordinary scroll compressor heat pump system (-11.88−18.29 ℃) was 13.58%. It infers that the efficiency of heat transferin a heat exchanger was relatively low, asthe ambient temperature decreased.The compressor selection has no significant effect on the heat exchange efficiency of heat exchanger. The minimum coefficient of performance (COP) of air-jet enthalpy-increasing heat pump system(-13.39−16.69 ℃) increased by 51.5%, compared with the ordinary scroll heat pump system (-11.4−18.3 ℃). The average value of COP increased by 16.9% during the whole progress, indicating effectively improved the heating energy efficiency of a system at low temperatures. The placement and thickness of amaterial presenteda significant influence on the drying effect. When the loading capacity of drying box was about 100% and stacking thickness was 20 cm, the finalproduct behavedbright color, uniform drying, and the high specific moisture extraction rates (SMER). Compared with the traditional air-drying method, the drying time of a heat pump was only 1/9 of conventional dry method for the same amount of materials, while,the drying cost was reduced by 1 160 yuan/t. The recoveryandair-jet enthalpy heat pump system can meet the energy supply that required for the drying of Tibetan medicinal materials under the low-temperature conditions.

drying; temperature; heat pump; system performance; Tibetan medicine; plateau severe cold temperature difference; COP

高萌，李明，王云峰，等. 低温环境下热泵热风干燥藏药性能试验[J]. 农业工程学报，2020，36(21)：316-322. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.038 http://www.tcsae.org

Gao Meng, Li Ming, Wang Yunfeng, et al. Experimental study on the performance for heat pump hot air drying of Tibetan medicine at low-temperature[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(21): 316-322. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.038 http://www.tcsae.org

2020-06-21

2020-10-27

国家自然科学基金项目（51966019，21965040）；云南省基础研究计划重点项目（202001AS070025）

高萌，博士生，从事太阳能热利用的研究工作。Email：gmynnu@126.com

李明，教授，博士生导师，从事太阳能及可再生能源的开发应用及制冷与低温工程方面的研究工作。Email：lmllldy@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.038

S226.6; TK11+4; S-3

A

1002-6819(2020)-21-0316-07